《工程热力学与传热学》——期末复习题——答案
《工程热力学与传热学》期末复习题
工程热力学部分
1、判断对错
1-1 孤立系统就是绝热闭口系统； （ × ） 1-2 孤立系统的热力状态不能发生变化； （ × ） 1-3 如果从同一状态到同一终态有两条途径：一为可逆过程，一为不可逆过程，则不可逆过程的熵变大于可逆过程的熵变； （ × ） 1-4 任何没有体积变化的过程就一定不对外作功； （ × ） 1-5 封闭热力系内发生可逆定容过程，系统一定不对外作容积变化功； （ √ ） 1-6 气体吸热后热力学能一定升高； （ × ） 1-7 只有加热，才能使气体的温度升高； （ × ） 1-8 流动功的改变量仅取决于系统进出口状态，而与工质经历的过程无关； （ √ ） 1-9 气体被压缩时一定消耗外功。 （ √ ） 1-10 气体膨胀时一定对外作功； （ × ） 1-11 不可逆过程的熵变无法计算。 （ × ） 1-12 理想混合气体中，各组元的体积分数等于其摩尔分数。 （ √ ） 1-13 道尔顿定律只适用于理想气体，定律指出混合气体的总压力等于各组元分压力之和； （ √ ） 1-14 一切可逆热机的热效率均相同； （ × ） 1-15 不可逆热机的热效率一定小于可逆热机的热效率； （ × ） 1-16 由理想气体组成的封闭系统吸热后其温度必然增加； （ × ） 1-17 工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小； （ × ） 1-18 封闭热力系统发生放热过程，系统的熵必减小； （ × ） 1-19 当m公斤的河水与G公斤的沸水具有相同的热力学能时，它们的可用能一定相同。 （ × ） 1-20 知道了温度和压力，就可确定水蒸气的状态； （ × ） 1-21 水蒸气的定温膨胀过程满足Q=W。 （ × ） 1-22 对未饱和湿空气，露点温度即是水蒸气分压力所对应的水的饱和温度。 （ √ ） 1-23 当湿空气的相对湿度为0时，表示空气中完全没有水蒸气。 （ × ） 1-24 湿空气的相对湿度为100% 时，表示空气中全部都是水蒸气。 （ × ） 1-25 湿空气的含湿量d一定时，温度越高，其吸湿能力越强。 （ √ ）
2、基本概念和 问答题
2-1 热力系统的定义，分类。
答：热力系统的定义；在热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究对象。 热力系统的分类：（1）按系统与外界是否进行物质交换分： a）闭口系统：系统与外界之间没有物质交换，只有能量交换（控制质量系统）。b）开口系统：系统与外界之间既有物质交换，又有能量交换（控制容积系统）。（2）按系统与外界之间进行能量交换情况分：a）简单系统：系统与外界只交换热量和一种形式的功。b）绝热
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系统：系统与外界之间完全没有热量交换。C）孤立系统：系统与外界之间既无物质，又无能量交换。
2-2 说明准静态过程和可逆过程的关系。
答：准平衡过程（准静态过程）：是指过程中系统所经历的每一个状态都无限接近于平衡状态的过程。可逆过程：是指当系统完成某一路径后，如果全过程沿相同的路径逆行而能使过程中所涉及的一切（system, surrounding ）都恢复到原来的状态而不留下任何痕迹，则这一过程即为可逆过程。
准静态过程和可逆过程的着眼点不同：准静态过程只着眼于工质内部的平衡，有无外部的机械摩擦（耗散）对工质内部的平衡并无影响可逆过程：可逆过程则分析工质与外界作用所产生的总效果。不仅强调工质内部的平衡，而且要求工质与外界作用可以无条件地逆复，过程进行时不存在任何能量的耗散。可逆过程是无耗散的准静态过程。
2-3 在热力学中，体积变化功和热量的正负是如何规定的？
答：体积变化功正负规定：1）系统对外作功，取正，d v > 0, ?w > 0；2）外界对系统作功，取负，d v < 0, ?w < 0。
热量正负规定：1）系统吸热：热量为正，? q > 0；2）系统放热：热量为负，? q < 0 ；3）系统绝热： ? q = 0 。
2-4 写出可逆过程中膨胀功，技术功的计算公式，并在P-V中表示膨胀功，技术功。
答：可逆过程中膨胀功：w??2??21pdv，技术功：wt?1vdp
2-5 试指出膨胀功，技术功，流动功的区别和联系，并将可逆过程中的膨胀功，技术功表示在p-v图中。
答：膨胀功是由于工质体积的变化对外所做的功；技术功是指工程技术上可以直接利用的功，包括宏观动能，宏观位能，轴功；工质在流过热工设备时，必须受外力推动，这种推动工质流动而做的功称为流动功。膨胀功，轴功，技术功，流动功的联系为：w?w1t?(p2v2?p1v1)?ws?2?c2f?g?z??(pv) 2-6 解释热力系统储存能的含义。
答：储存于热力系统的能量称为热力系统的储存能。工程热力学所涉及到的热力系统的储存能主要有两类：一是取决于系统本身热力状态的热力学能，另一类是与系统的宏观运动速度有关的宏观动能和与系统在重力场中所处的位置有关的宏观位能。
2-7 写出焓的定义和物理意义
答：焓的定义：h?u?pv。物理意义：比焓表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。
2-8 写出开口系统稳定流动能量方程式的表达形式，说明式中各量的含义。
答：开口系统稳定流动的能量方程式为：q??h?12?c2f?g?z?ws。 2 / 31
p1?wt??vdpdp?w?pdvv2v 《工程热力学与传热学》——期末复习题——答案
式中q为工质与外界交换的热量，?h为工质进出口焓的增加，?cf为工质宏观动能的变化，g?z为工质宏观位能的变化，ws系统对外所作轴功。
2-9 一绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，左边盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满整个容器。问（1）空气的热力学能如何变化 ？（2）空气是否做了功？
答（1）气体向真空自由膨胀，不对外作功，根据热力学第一定律，可得热力学能的变化为0，即?U?0。 （2）不对外作功，W?0
2-10 描述绝热节流过程的特点？写出节流过程能量方程式的形式。
答：绝热节流过程的特点：绝热节流过程是典型的不可逆过程，节流前后流体压力减小，速度提高，熵值增加。能量方程式：h1=h2。 2-11 什么是理性气体？
答：理想气体是人们提出的一种理想化的模型。理想气体分子间的平均距离相当大，分子体积与分子的总体积相比可忽略不计，分子之间无作用力，分子之间的互相碰撞以及分子与容器壁的碰撞都是弹性碰撞。
2-12 理想气体的cp和cV之差及cp和cV之比是否在任何温度下都等于一个常数？
答：理想气体的cp- cV=Rg，只与气体的种类有关，与气体所处状态无关；cp/ cV=γ，既与气体的种类有关，又与气体所处状态有关。
2-13 将满足以下要求的理想气体多变过程表示在同一个p-v图和T-s图上。 （1）理想气体的定温，定压，定容和定熵过程； （2）工质又膨胀，又降温，又放热的多变过程。
2-14 将满足空气下列要求的多变过程表示在p-v图和T-s图上。 （1）理想气体的定温，定压，定容和定熵过程； （2）n=1.6的膨胀过程，并判断q，w，?u的正负。
答：对n=1.6的膨胀过程：Q<0 放热；W>0膨胀对外作功；?U<0 热力学能减少。
2-15 描述热力学第一定律和热力学第二定律的文字表述。
答：热力学第一定律：在热能和机械能的相互转换过程中，能的总量保持不变。 热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。开尔文-普朗特表述：不可能从单一热源取热，使之全部转变为功而不产生其他影响。
2-16 说明第一类永动机和第二类永动机的含义，它们是否违反了热力学第一定律和热力学第二定律。
答：第一类永动机是指不花费代价就能够产生功的机器。违反了热力学第一定律。第二类永动机是指能够从单一热源取热并使之完全变为功的热机，第二类永动机不违反热力学第一定律，但却违反了热力学第二定律。
2-17 写出两个与热力学第二定律相对应的数学表达式，并对表达式进行简单说明。
答：（1）克劳修斯积分式：
02n=1.6膨胀过程12
2
pTsv.0p工质膨胀，降温，放热过程vTvp工质膨胀，降温，放热过程.sT0sTsvp1.sTpTsv.10p2n=1.6膨胀过程v??QT?0。用于判断一个循环是否可能，是否可逆。
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式中等号用于可逆循环，不等号用于不可逆循环。（2）热力过程熵的变化：
?S??2?Q1T。用于判断过程能否进行，是否可逆。等号适用于可逆过程，不等号适
用于不可逆过程。（3）孤立系统熵增原理：?Siso?0。孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。（4）卡诺循环热效率：?c?1?T2T。根据卡诺定理一：在相同的高温热源和低温热源间工作的一1切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关；定理二：在相同的高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率，都小于可逆热机的热效率。（以上相应数学表达式写出任意两个即可。）
2-18 有人认为，由理想气体组成的封闭系统吸热后，其温度必定增加，这是 否完全正确？你认为哪一种状态参数必定增加？
答：理想气体组成的封闭系统吸热后温度不一定升高，状态参数熵肯定增加。 2-19 如果工质从同一初态出发，分别经历可逆定压过程与不可逆定压过程，从同一热源吸收了相同的热量，工质终态的熵是否相同？为什么？ 答：终态的熵不可逆过程的S2大于可逆过程的S2。
2-20 若工质从同一初态出发，分别经历可逆绝热过程与不可逆绝热过程膨胀到相同的终压力，问过程终态的熵哪个大？对外作的功哪个大？
答：终态的熵：S2不可逆?S2可逆，对外作的功：W可逆?W不可逆。
2-21 试述闭口系统熵方程的表达式。分析若闭口系统中工质由初态经过一个不可逆绝热过程膨胀到终态，能否经过一个绝热过程使工质回到初态，为什么？
答：（1）闭口系统的熵方程为：闭口系统的熵增=熵流+熵产。（2）不能经过一个绝热过程回到初态。因为当系统由初态经过一个不可逆绝热过程到达终态时，此过程是一个熵增的过程，要想回到初态，需要一个熵减的过程，而绝热过程的熵增大于等于零，所以不能经过绝热过程回到初态。
2-22 欲设计一台热机，使之能从温度为973K的高温热源吸热2000 kJ，并向温度为303K的低温热源放热800 kJ，问此循环能否实现？
答：法1：利用克劳修斯积分式判断循环是否可行：
??QQ1Q22000T?T????800??0.585kJ/K?0， 1T2974303因此此循环能实现，且为不可逆循环。
法2；利用孤立系统熵增原理判断循环是否可行；孤立系统由高温热源，低温热源，
?Siso??SH??SD??SR??SW?Q1热机和功源组成。
T?Q2T?0?012，
??2000973?800303??2.055?2.640?0.585kJ/K?0故此循环能实现。
2-23 某热机工作在T1=2000K的高温热源和T2=300K的低温热源之间，问能否实
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T11’22不可逆sp0s绝热膨胀过程（终压相同）
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